Conception et caractérisation d`une puce colorimétrique pour la

Thèse de Doctorat de l’Université Pierre et Marie Curie
Ecole doctorale de Sciences Mécaniques, Acoustique,
Electronique et Robotique de Paris (SMAER)
Laboratoire d’Electronique et Electromagnétisme (L2E)
Présentée par
Sana Hamdaoui
Pour l’obtention du grade de
DOCTEUR EN ELECTRONIQUE
Conception et caractérisation d’une puce
colorimétrique pour la détection des
allergènes
Soutenue publiquement le 7 Janvier 2015
devant le jury composé de :
Mme. Catherine Algani Professeur au CNAM Rapporteur
M. Didier Decoster Professeur à l’IEMN Lille Rapporteur
Mme. Stéphanie Descroix CR au CNRS Examinatrice
Mme. Sylvie Sautrot MCF à l’Univ. Paris Diderot Examinatrice
M. Stéphane Holé Professeur à l’UPMC Examinateur
M. Geoffroy Klisnick MCF à l’UPMC Examinateur
M. Mohamed Ben Chouikha MCF à l’UPMC Examinateur
M. Hamid Kokabi Professeur à l’UPMC Directeur de thèse

Table des matières
Sommaire
Glossaire ......................................................................................................................................... 9
Introduction générale .................................................................................................................... 11
Chapitre I : .................................................................................................................................... 15
Etat de l’art .................................................................................................................................... 15
I - Etat de l’art .......................................................................................................................... 17
1 Contexte de l’analyse biologique ...................................................................................... 17
1.1 Couple anticorps & antigènes ................................................................................... 17
1.2 Antigènes .................................................................................................................. 17
1.3 Immuno-essais .......................................................................................................... 18
1.4 Synthèse .................................................................................................................... 22
2 De la biologie à l’électronique .......................................................................................... 22
2.1 Méthodes de détection optique ................................................................................. 22
2.2 Synthèse .................................................................................................................... 25
3 Contexte de la miniaturisation : système Micro- fluidique ............................................... 25
3.1 Présentation ............................................................................................................... 26
3.2 Choix du matériau d’un système micro fluidique ..................................................... 27
3.3 Fabrication ................................................................................................................ 27
3.4 Immobiliser des biomolécules sur le support du système micro fluidique ............... 30
3.5 Mélanger les fluides dans les micro-puits ................................................................. 32
3.6 ELISA dans des micro-puits ..................................................................................... 40
3.7 Synthèse .................................................................................................................... 40
4 Contexte de la micro-électronique .................................................................................... 41
4.1 Capteurs optiques ...................................................................................................... 41
4.2 Synthèse .................................................................................................................... 50

Table des matières
5 Monde des biopuces .......................................................................................................... 50
5.1 Test ELISA par pression ........................................................................................... 51
5.2 Test d’allergènes à l’aide d’un smartphone .............................................................. 51
5.3 Biopuce pour séquencer l’ADN ................................................................................ 52
Chapitre II : ................................................................................................................................... 53
Architecture et conception de la matrice APS ainsi que son électronique de lecture ................... 53
II - Architecture et conception de la matrice APS ainsi que son électronique de lecture ......... 55
1 Introduction ....................................................................................................................... 55
2 Architecture du capteur optique ........................................................................................ 56
2.1 Technologie CMOS .................................................................................................. 56
2.2 Présentation de l’architecture générale de la matrice APS ....................................... 56
2.3 Zoom sur un pixel de la matrice ............................................................................... 57
2.4 Conclusion ................................................................................................................ 67
3 Amplification .................................................................................................................... 68
3.1 Source commune ....................................................................................................... 69
3.2 Suiveur NMOS.......................................................................................................... 75
3.3 Synthèse .................................................................................................................... 81
4 Adressage .......................................................................................................................... 82
4.1 Interrupteur CMOS ................................................................................................... 83
4.2 Circuit de commande des interrupteurs .................................................................... 88
4.3 Multiplexeur .............................................................................................................. 92
5 Performances du circuit .................................................................................................... 94
5.1 Temps de réponse ..................................................................................................... 94
5.2 Amélioration de la consommation .......................................................................... 102
5.3 Layout ..................................................................................................................... 104
6 Conclusion ...................................................................................................................... 110
Chapitre III .................................................................................................................................. 113
Caractérisations du circuit électrique .......................................................................................... 113
III – Caractérisations du circuit........................................................................................... 115
1 Caractérisation de la dynamique du détecteur ................................................................ 115
1.1 Caractérisation de la puissance lumineuse en fonction de l’alimentation .............. 115
1.2 Caractérisation de la dynamique du détecteur ........................................................ 117

Table des matières
1.3 Caractérisation électrique du transistor de lecture .................................................. 122
2 Caractérisation en présence de solution colorée ............................................................. 127
2.1 Préparation des solutions ........................................................................................ 127
2.2 Banc de test ............................................................................................................. 129
2.3 Résultats des mesures ............................................................................................. 130
3 Conclusion ...................................................................................................................... 133
IV - Conclusions générales et perspectives .......................................................................... 134
V - ANNEXES ........................................................................................................................ 137
1 FIGURES ........................................................................................................................ 137
2 Tableaux .......................................................................................................................... 141
VI Références bibliographiques ........................................................................................... 143